專(zhuān)利名稱(chēng)：大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間技術(shù)模擬環(huán)境領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種在地面模擬空間原子氧束 流且同時(shí)具有較大束流截面積的模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
原子氧環(huán)境是指低地球軌道(通常認(rèn)為200 700km高度)上以原子態(tài)氧存在的 殘余氣體環(huán)境?？臻g飛行試驗(yàn)和地面模擬試驗(yàn)表明，原子氧會(huì)造成航天器結(jié)構(gòu)性材料剝蝕 老化、功能性材料功能下降，主要表現(xiàn)在材料質(zhì)量和厚度的損失、表面形貌的變化以及各種 性能參數(shù)的衰退等各個(gè)方面。地面模擬試驗(yàn)是我國(guó)目前進(jìn)行航天器空間原子氧環(huán)境適應(yīng)性 設(shè)計(jì)的主要試驗(yàn)驗(yàn)證手段。隨著我國(guó)宇航技術(shù)的發(fā)展，航天器的復(fù)雜程度、可靠性指標(biāo)越來(lái)越高，服役壽命大 幅增加，隨之而來(lái)的是航天器研制對(duì)宇航材料在空間環(huán)境下的適存性驗(yàn)證要求也越來(lái)越 高。試驗(yàn)材料種類(lèi)及數(shù)量的增加、試驗(yàn)對(duì)象從材料到組件的逐步轉(zhuǎn)變，無(wú)不對(duì)地面試驗(yàn)設(shè)備 輻照面積提出了更高的要求。原子氧作為低軌道空間一種主要的空間環(huán)境，其模擬技術(shù)在 束流面積等指標(biāo)上正面臨了前所未有的任務(wù)需求。目前常見(jiàn)的原子氧設(shè)備大致可以分為熱等離子和定向束流兩種，帶有較高能量 的定向束流式原子氧設(shè)備，普遍認(rèn)為能夠更好的模擬空間原子氧與材料的真實(shí)作用，因而 相對(duì)具有更大的工程意義。但由于技術(shù)原因，國(guó)內(nèi)近年來(lái)自研束流式原子氧設(shè)備輻照面 積一般都小于O50mm。原子氧設(shè)備對(duì)樣品尺寸的要求是大于Φ 10mm，試驗(yàn)中一般都使用 Φ 25. 4mm或20mm X 20mm的樣品，在此情況下利用上述設(shè)備試驗(yàn)效率較低，極大地約束了試 驗(yàn)技術(shù)在工程上的應(yīng)用。此外，受到輻照面積的限制，某些有必要進(jìn)行組件級(jí)試驗(yàn)的對(duì)象如 太陽(yáng)電池陣等也無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，給航天器的可靠性設(shè)計(jì)帶來(lái)的一定的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)上述分析，可以認(rèn)識(shí)到大輻照面積的束流式原子氧的模擬系統(tǒng)對(duì)于提高目前 材料級(jí)原子氧試驗(yàn)的效率，開(kāi)展航天器組件的原子氧適應(yīng)性評(píng)價(jià)試驗(yàn)都有著重要的工程 意義。同時(shí)，為滿(mǎn)足地面加速試驗(yàn)的要求，利用該模擬方法產(chǎn)生的原子氧束流密度應(yīng)高于 lX1015atOmS/Cm2/S，且具有夠連續(xù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的能力。因此，提供一種在地面模擬空間 原子氧束流且截面積可大于Φ 150 (束流密度大于在1015atOmS/Cm2/S時(shí))的模擬系統(tǒng)非常 必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)化冷 卻、密封、材料選擇等方面的措施，保證了裝置在較高原子氧束流狀態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能 力。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案一種大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)，包括水冷式的電磁場(chǎng)系統(tǒng)，可產(chǎn)生最高可 達(dá)1200高斯的強(qiáng)磁鏡場(chǎng)；頻率為2. 45GHz、功率最高可達(dá)1000W的微波發(fā)生及傳輸系統(tǒng)，可在強(qiáng)磁鏡場(chǎng)下激發(fā)工作氧氣電離產(chǎn)生高密度氧等離子體并對(duì)其進(jìn)行拘束；中性化靶，用于 加速、收集并反射等離子體中的正離子，形成定向原子氧束流；水冷系統(tǒng)，可保證原子氧源 能長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的不間斷穩(wěn)定工作；真空系統(tǒng)，用于保證原子氧正常工作的真空條件；靶臺(tái) 機(jī)構(gòu)，用于在原子氧束流區(qū)內(nèi)放置試驗(yàn)樣品。其中，本系統(tǒng)通過(guò)冷卻、密封、材料選擇等方面的措施，保證了裝置在較高原子氧 束流狀態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。本系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用了大功率微波等離子體技術(shù)，并通過(guò)合理的中性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 措施產(chǎn)生了大輻照面積的原子氧束流。使用本系統(tǒng)能夠極大地提高宇航材料的原子氧環(huán) 境適應(yīng)試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本，同時(shí)能夠突破組件級(jí)原子氧試驗(yàn)的技術(shù)瓶 頸，為更有效地進(jìn)行航天器設(shè)計(jì)的可靠性驗(yàn)證提供模擬手段。


圖1是大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)構(gòu)造示意圖。其中，1為微波發(fā)生及傳輸系統(tǒng)；2為電磁場(chǎng)系統(tǒng)；3為水冷系統(tǒng)；4為中性化板供 電電源；5為靶臺(tái)控制機(jī)構(gòu)；6為鉬中性化板。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)明白，實(shí)施方式僅 為例示的目的，并不旨在對(duì)其保護(hù)范圍進(jìn)行任何限定。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的大輻照面積的原子氧束流模擬系統(tǒng)，包括水冷式的電磁場(chǎng)系 統(tǒng)，可產(chǎn)生最高可達(dá)1200高斯的強(qiáng)磁鏡場(chǎng)；頻率為2. 45GHz、功率最高可達(dá)1000W的微波 發(fā)生及傳輸系統(tǒng)，可在強(qiáng)磁鏡場(chǎng)下激發(fā)工作氧氣電離產(chǎn)生高密度氧等離子體并對(duì)其進(jìn)行拘 束；長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)分別為200mm和140mm鉬中性化板，用于加速、收集并反射等離子體中的正離 子，形成截面積直徑大于150mm的定向原子氧束流；水冷系統(tǒng)，可保證原子氧源能長(zhǎng)達(dá)100 小時(shí)的不間斷穩(wěn)定工作；真空系統(tǒng)，用于保證原子氧正常工作的真空條件；靶臺(tái)機(jī)構(gòu)，用于 在原子氧束流區(qū)內(nèi)放置試驗(yàn)樣品。系統(tǒng)通過(guò)冷卻、密封、材料選擇等方面的措施，保證了裝 置在較高原子氧束流狀態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。本專(zhuān)利提供的是一種大輻照面積的原子氧束流模擬系統(tǒng)；本系統(tǒng)是在等離子體相 關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)創(chuàng)新改進(jìn)而成的。本系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建步驟如下1)裝置真空室上應(yīng)開(kāi)有微波天線窗口、觀察窗口、鉬板安裝窗口、鉬板方位角調(diào)節(jié) 窗口、與大尺寸實(shí)驗(yàn)真空室連接窗口、靜電探針窗口等大小窗口若干個(gè)；2)中性化板(鉬板)及輔助設(shè)施由厚度2mm、表面經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光的鉬板加工而成。 鉬板為橢圓型(或跑道型)，長(zhǎng)短徑分別為200mm和140mm。鉬板安裝在有水冷通道的基座 上、其方位角可以作小范圍調(diào)節(jié)以獲取最大原子束流。3)真空系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)使用主真空室抽氣和充氣系統(tǒng)，真空度達(dá)到5Χ10_4!^以 上。充氣系統(tǒng)具有向真空室注入工作氣體，并在ι χ IO-1 5 X IO-3Pa范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)工作 氣壓的能力；4)磁體系統(tǒng)由兩組水冷線圈組成，分別由兩臺(tái)直流電源供電。磁體可以長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)不大于200A的電流，該磁體系統(tǒng)可以形成所需要的對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)磁鏡位型。磁體冷卻采 用水冷方式； 5)微波系統(tǒng)使用商用M50MHZ、IKff磁控管連續(xù)波微波源和BJ-22型及BJ46型微 波器件若干。系統(tǒng)由微波源、微波傳輸線和微波天線組成。微波源采用頻率對(duì)506泡、功率 IKff的連續(xù)波磁控管微波源。傳輸線由BJ-26、BJ-22型波導(dǎo)管、截面轉(zhuǎn)換器、E-面和H-面 900彎波導(dǎo)、波導(dǎo)環(huán)形器、波導(dǎo)調(diào)配器、定向耦合器等器件組成，可以低損耗地把微波由微波 源輸出窗輸送到天線窗口、并提供微波測(cè)量的接口。采用BJ-22型矩形開(kāi)口波導(dǎo)天線、通過(guò) 石英玻璃密封窗向真空室內(nèi)發(fā)射微波。以下以具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1 使用本套大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)，Φ 500mmX 600mm真空容器上進(jìn)行安裝 調(diào)試，構(gòu)建原子氧環(huán)境地面模擬試驗(yàn)設(shè)備。原子氧束流模擬系統(tǒng)與主容器通過(guò)Φ 150mm法 蘭連接。按照上述方法及步驟搭建大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)，其中裝置真空室由厚 度為4 5mm的無(wú)磁不銹鋼板焊接而成，能夠耐受高真空帶來(lái)的內(nèi)外壓差，且能避免防電 腔磁化對(duì)等離子體防電的影響。容器上設(shè)計(jì)并加工微波天線窗口、觀察窗口、鉬板安裝窗 口、鉬板方位角調(diào)節(jié)窗口、與主容器連接窗口、靜電探針窗口各一個(gè)，其中微波天線窗口與 BJ-22波導(dǎo)機(jī)械連接。中性化板采用鉬金屬板，長(zhǎng)短徑分別為200mm和140mm，鉬板偏壓由一臺(tái)電壓0 50v可調(diào)、輸出能力為IA的直流電源提供。通過(guò)20sCCm氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)工作所需的氧氣的導(dǎo)入及流量控制，流量計(jì)一端連 接氣源，另一端通過(guò)Φ8πιπι快速接頭連接與放電腔真空室的導(dǎo)氣口連接。將兩組磁場(chǎng)線圈套入放電腔真空室外，之后按照波導(dǎo)式微波傳輸系統(tǒng)的基本構(gòu) 成，以上述中的各微波元件實(shí)現(xiàn)微波源到放電腔的連接。上述各裝置安裝調(diào)試完成后，打開(kāi)循環(huán)水制冷機(jī)，開(kāi)啟主容器真空系統(tǒng)，將真 空度抽至IXlO-3Pa時(shí)通過(guò)流量計(jì)控制向放電腔輸入氧氣，氣體流量kccm時(shí)真空度約 在X10_2I^量級(jí)。開(kāi)啟磁場(chǎng)電源，電流控制在180A左右，待穩(wěn)定后開(kāi)啟微波源，微波功率設(shè) 定為200W?？吹椒烹娗粌?nèi)出現(xiàn)等離子體放電弧光后加鉬板偏壓至IOV0通過(guò)測(cè)量得到，距鉬板中心300mm的主容器內(nèi)，模擬產(chǎn)生的原子氧束流面積可大 于150mm，此位置束流密度大于4X 1015atomS/Cm2/S量級(jí)，系統(tǒng)能夠100小時(shí)不間斷長(zhǎng)期穩(wěn) 定運(yùn)行。比較實(shí)施例1未采用本套系統(tǒng)，而采用常用的同軸線微波傳輸及潰入方式、采用固定式的直徑 為50mm鉬板為中性化板、采用永磁體為等離子體放電腔提供磁場(chǎng)環(huán)境，經(jīng)測(cè)量主容器內(nèi)所 產(chǎn)生的模擬原子氧束流最大約為2. OX K^atoms/cm2/、有效束流截面積約為Φ 50mm，且連 續(xù)工作4小時(shí)后天線潰入微波窗口處會(huì)發(fā)生急劇溫升，從而不得不間斷模擬源待溫度降至 室溫后從新開(kāi)啟。本套大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)弧光穩(wěn)定，而未采用本系統(tǒng)技術(shù)途 徑的原子氧源弧光易發(fā)生閃爍及漂移，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生弧光熄滅現(xiàn)象。
通過(guò)比較實(shí)施例1與實(shí)施例1進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本模擬系統(tǒng)在進(jìn)行空間原子氧環(huán)境 模擬試驗(yàn)時(shí)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，且束流強(qiáng)、輻照面積大，可以將材料級(jí)原子氧試驗(yàn)的效率提 高數(shù)十倍，且能滿(mǎn)足部分航天器組件原子氧試驗(yàn)的需求。
權(quán)利要求
1. 一種大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)，包括水冷式的電磁場(chǎng)系統(tǒng)，可產(chǎn)生最高可達(dá) 1200高斯的強(qiáng)磁鏡場(chǎng)；頻率為2. 45GHz、功率最高可達(dá)1000W的微波發(fā)生及傳輸系統(tǒng)，可在 強(qiáng)磁鏡場(chǎng)下激發(fā)工作氧氣電離產(chǎn)生高密度氧等離子體并對(duì)其進(jìn)行拘束；中性化靶，用于加 速、收集并反射等離子體中的正離子，形成定向原子氧束流；水冷系統(tǒng)，可保證原子氧源能 長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的不間斷穩(wěn)定工作；真空系統(tǒng)，用于保證原子氧正常工作的真空條件；靶臺(tái)機(jī) 構(gòu)，用于在原子氧束流區(qū)內(nèi)放置試驗(yàn)樣品。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大輻照面積原子氧束流模擬系統(tǒng)，包括水冷式的電磁場(chǎng)系統(tǒng)，可產(chǎn)生最高可達(dá)1200高斯的強(qiáng)磁鏡場(chǎng)；頻率為2.45GHz、功率最高可達(dá)1000W的微波發(fā)生及傳輸系統(tǒng)，可在強(qiáng)磁鏡場(chǎng)下激發(fā)工作氧氣電離產(chǎn)生高密度氧等離子體并對(duì)其進(jìn)行拘束；長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)分別為200mm和140mm鉬中性化板，用于加速、收集并反射等離子體中的正離子，形成截面積直徑大于150mm的定向原子氧束流；水冷系統(tǒng)，可保證原子氧源能長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的不間斷穩(wěn)定工作；真空系統(tǒng)，用于保證原子氧正常工作的真空條件；靶臺(tái)機(jī)構(gòu)，用于在原子氧束流區(qū)內(nèi)放置試驗(yàn)樣品。系統(tǒng)通過(guò)冷卻、密封、材料選擇等方面的措施，保證了裝置在較高原子氧束流狀態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。使用本系統(tǒng)能夠極大地提高宇航材料的原子氧環(huán)境適應(yīng)試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本，同時(shí)能夠突破組件級(jí)原子氧試驗(yàn)的技術(shù)瓶頸，為更有效地進(jìn)行航天器設(shè)計(jì)的可靠性驗(yàn)證提供模擬手段。
文檔編號(hào)G01N17/00GK102116732SQ20091021715
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者馮偉泉, 劉向鵬, 姜利祥, 姜海富, 李濤, 秦瑋, 郭亮 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所